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물리 다양한 양자 기술을 향상시킬 양자 도구
2015.05.31 18:52
다양한 양자 기술을 향상시킬 양자 도구http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2015050139&service_code=03 |
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| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-05-12 | |
| 양자 기술은 컴퓨터에서 센서, 암호화 시스템, 시뮬레이션, 그리고 영상 시스템에 이르기까지 다양한 형태로 우리에게 편리함을 제공한다. 그러나 현재나 미래의 양자 시스템이 공통으로 안고 있는 숙제는 원자나 광자와 같은 물리적 시스템을 뛰어넘는 안정적인 제어의 달성이다. 이상적인 양자 상태에서 양자 시스템을 준비하기 위해 자주 사용되는 도구가 양자 단열 과정(quantum adiabatic process)이다. 그러나 이러한 과정은 종종 너무나 오래 걸려서, 잡음 환경이 양자 상태가 결흩어짐하게 하여, 그것의 “양자성(quantumness)”을 잃게 한다. 양자 상태 준비를 가속하고, 결흩어짐을 최소화하기 위하여, 물리학자들은 “단열선 지름길(shortcuts to adiabaticity, STA)”을 고안했다. 이는 단열의 장점을 잃지 않으면서, 단열 과정보다 더 짧은 시간에 양자 상태를 준비하는 모든 과정을 참조하는 것이다. 원래 단일 입자로 구성된 간단한 시스템을 위하여 개발된 STA는 최근 다체 시스템(many-body systems)으로 확장되었고, 이는 좀 더 많은 응용에 관련하고 있다. 그러나 다체 시스템에서의 STA 구현을 위해서는 이러한 시스템이 가진 고유의 복잡성으로 말미암아, 여전히 많은 도전이 필요하다. Physical Review Letters에 발표된 새로운 논문에서, 영국 벨파스트 퀸스 대학(Queen`s University)의 물리학자인 Steve Campbell을 포함한 팔레르모 대학, 이탈리아의 피사 고등사범학교(Scuola Normale Superiore), 그리고 싱가포르 국립대학의 과학자들은 최적의 제어를 한 STA를 결합한 다체 시스템 양자 상태 준비를 위한 새로운 복합화 공법을 개발했다. 이 새로운 도구의 주요 장점은 그것이 거의 완벽한 STA 성능을 달성할 수 있으면서도, 근본적인 메커니즘에 관한 완전한 지식을 요구하지 않고, 이를 상당히 단순화시킬 수 있다는 것이다. 이 도구는 양자 지름길의 타당성을 보여주기 위하여, 충분히 낮은 비용으로도 양자 상태 준비를 가속하는 것이 가능하다는 것을 보여주었다. “우리의 연구는 양자 다체 문제가 립킨 메시코프 글릭(Lipkin-Meshkov-Glick, LMG)의 경우일 때, 해결책이 존재한다는 것을 보여준다. 이는 다양한 양자 사회(몇 가지 예를 들자면, 양자 상태나 양자 정보 처리, 그리고 수학적 물리)로부터 많은 관심을 끄는 매우 흥미로운 경우”라고 Campbell은 말했다. “이 문제를 해결하는 우리의 방식은 기본적으로 ‘지피지기(know-your-enemy)접근 방식이며, 이를 위하여, 우리는 해결하고자 하는 문제에 내재한 대칭을 활용하고, 성공적인 양자 지름길을 고안하기 위하여, 그것들을 이용하고자 한다”고 그는 말했다. 연구진이 설명한 대로, 이 양자 지름길, 또는 STA는 가장 빠른 길을 찾고자 하는 운전자의 관점에서 이해될 수 있다. “간단히 말해서, 우리의 연구는 단순히 비전문가적인 비유를 통해서 이해될 수 있다. 집에서 사무실로 가기 위하여, 고속도로를 운전한다고 가정해보자. 그러나 당신은 월요일 아침의 교통 체증을 뚫고 가고 싶지 않다. 사무실에는 가야 겠고, 그렇다고 어떠한 희생도 감내하고 싶지 않다면, 당신은 아주 천천히 움직일 수밖에 없을 것이다. 이는 당신이 아침 업무의 절반만을 처리할 수 있음을 의미한다”고 그는 말했다. “당신은 지름길로 가기로 한다. 이 길은 통행료를 내야만 지나갈 수 있고, 당신은 약간의 요금을 내지만, 그렇지 않은 경우보다 훨씬 더 빨리 사무실에 도착할 수 있다. 그리고 당신은 그 날 아침에 해야 할 많은 업무를 해결할 수 있을 것이다. 당신의 상사는 만족할 것이며, 당신에게는 임금 인상이라는 혜택도 주어진다. 이를 통해서, 우리는 약간의 통행료가 그리 큰 문제가 되지 않는다는 것을 알 수 있다”고 그는 말했다. “이 모든 가정을 양자 세계로 옮겨보자. 당신의 자동차가 양자 시스템이며, 상태(집에서의 나)에서 사무실로 떠날 준비를 한다. 그리고 이것은 새로운 상태(사무실에서의 나)로의 변환을 의미한다. 당신에게는 두 가지의 선택권을 준다. 당신은 무한히 천천히(고속도로의 교통 체증을 통과하는 것) 그 과정을 수행하거나, 또는, 빠른 지름길(단열선으로의 지름길을 구현하는 것)을 택할 수도 있다. 이는 에너지 측면에서 약간의 비용이 들지만, 훨씬 더 빠른 방식으로 원하는 변환을 실현할 수 있다”고 그는 말했다. 이러한 상황에 한 사람만이 관여하면, 이는 단일체 문제와 비슷하다. 그러나 좀 더 많은 통근자가 이 상황에 얽히게 되면, 문제는 더욱더 복잡해지고, 이는 다체 문제로 바뀌게 된다. “현재, 이 모든 일이 한꺼번에 일어난다고 가정해보자. 모든 당신 동료가 같은 시간에 집에서 출발해서, 동시에 사무실에 도착해야 하는 데, 불행히도 심한 교통 체증에 다 함께 봉착한다. 이것이 바로 우리가 일컫는 다체 문제(many-body problem)”라고 그는 말했다. “이는 매우 어려운 문제처럼 보인다. 왜냐하면, 당신이 모든 이들이 통행료를 지급하도록 설득해야 하기 때문이다. 실제로 그렇다. 양자 세계에서는 오직 혼자만이 그것을 해결해야 한다. 실제로, STA 기술이 단일체 문제를 위한 작업이라고 알려졌으며, 현재까지, 양자 다체 문제와 관련해서는 거의 알려진 것이 없다”고 그는 말했다. STA 접근 방식이 다체 시스템을 위해 작동할 수 있음을 보여줌으로써, 이 새로운 도구는 잠재적으로 다양한 응용 프로그램의 가능성을 제시한다. 왜냐하면, 양자 상태 준비는 너무나 다양한 미래 양자 기술을 요구하고 있기 때문이다. 앞으로, 연구진은 “통행료”의 실제 비용이나, 또는 얼마나 많은 에너지가 STA 구현에 필요한지를 좀 더 조사할 계획이다. 그들은 또한 이러한 접근 방법을 통해서, 양자 엔진을 구축하는 첫 번째 단계를 수행할 계획이며, 이는 다체 시스템의 일부 열역학적 사이클을 실현하는 것이다. (그림) 단열선 지름길(STA)은 양자 상태 준비로의 빠른 경로를 제공하며, 이는 통행료를 지급함으로써, 운전자가 좀 더 빠른 길을 가는 것과 비슷하다. 이 두 지름길 모두는 비용이 들지만, 이는 충분한 가치가 있다. |
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